基于PLC的邮件分拣控制的设计.doc

物理与电子工程学院

《PLC原理与应用》
课程设计报告书

设计题目：基于PLC的邮件分拣控制的设计
专 业： 自动化
班 级： 10级1班
学生姓名: XX
学 号: XXXXXX
指导教师： XX

2013年 12 月 20 日

物理与电子工程学院 课程设计任务书
专业： 自动化 班级： 1班
学生姓名
XX
学号
XX
课程名称
PLC原理与应用
设计题目
基于PLC的邮件分拣控制的设计
设计目的、主要内容（参数、方法）及要求
设计目的：
1、掌握PLC功能指令的用法
2、掌握PLC控制系统的设计流程
设计主要内容及要求：
1、设计一个邮件分拣控制程序，具体要求如下:
(1)当传送带开始工作，绿灯L1亮，红灯L2灭，电机M5驱动带有推头的主链运行，扫码器读取传送带上的邮件的邮码，将结果送入PLC进行邮件的识别分析，得到邮件邮政编码的数字编码信息。
(2)检测发生器S1检测到有邮件，若邮码信息正确，L2亮，L1灭，系统根据邮件的邮码启动相应的推杆定时器，PLC从定时器中采集脉冲数，当定时器动作时就表示邮件到达分拣箱时，推进器(M1-M4)将邮件推进相应的邮箱。
(3)随后L2灭，L1亮，继续分拣。若邮码信息出错，则L2闪烁，电机M5停止动作，待重新启动后，再运行。
2、画出实现程序流程图。
3、列出输入、输出端口。
4、写出梯形图程序。
5、调试程序，直至符合设计要求。
工作量
2周时间，每天3学时，共计42学时
进度安排
第1天：明确课程设计的目的和意义，根据课程设计要求查找相关资料
第2-3天：学习课程设计中用到的PLC相关知识

第4-5天：根据课程设计的要求画出程序流程图
第6天：列出I/O分配表
第7-8天：写出梯形图程序，并对程序进行注释
第9-10天：学习西门子S7-200的编程软件STEP 7 MicroWIN SP6，并在该软件中编写梯形图程序
第11天：学习西门子S7-200仿真软件，并进行程序仿真和调试。
第12天：将课程设计中用到的程序在PLC试验箱上进行运行和调试。
第13-14天：撰写课程设计报告。
主要参考资料
[1]廖常初.S7-200 PLC编程及应用[M].北京:机械工业出版社,2013.8
[2]梅丽凤.电气控制与PLC应用技术[M].机械工业出版社,2012.3
[3]殷洪义.可编程序控制器选择设计与维护[M].机械工业出版社,2006.1
指导教师签字

教研室主任签字

摘 要
可编程序控制器(PLC)是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动化技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置。目前，可编程序控制器已成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，其广泛的深度和广度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。
本文针对继电器控制系统可靠性较差、使用不够灵活方便等缺陷，利用PLC进行设计，达到了控制邮件分拣目的。在系统中充分利用PLC在控制方面的卓越性能实现了系统运行可靠、故障率低的功能。
本论文在内容安排上首先介绍了题目的来源与意义及其相关的背景：系统方案的确定、总体的组成、设计思想与理论依据等。随后对系统进行了详细设计，包括：部分硬件设计、安装；软件设计并编制梯形图；系统通调试等。最后，论文对全文进行总结。

关键词：PLC控制 ； 邮件分拣 ；梯形图

目 录
1 绪论 1
1.1 课题的研究背景及意义 1
1.2 PLC的概述 1
1.3 PLC控制系统程序设计的步骤 1
2 邮件自动分拣系统 3
2.1 自动分拣系统概述 3
2.2 自动分拣系统的主要特点 3
2.2.1 PLC控制范围及要求： 4
2.2.2 分拣机的动作过程 5
2.3 机型的选择及输入输出的确定 5
2.3.1 内存估计 5
2.3.2 响应时间 5
2.3.3 输入输出的确定 6
3 PLC控制程序 7
3.1 梯形图程序 8
3.2 语句表 14
3.3 程序图中各辅助触点的作用 15
3.4 程序图中各个定时器的作用 16
4 心得体会 17
参考文献 18

1 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
随着社会的不断发展，市场的竞争也越来越激烈，因此各个企业都迫切地需要改进技术，提高效率，尤其在需要进行分拣及缓冲、传送的单位，以往一直采用人工分拣的方法，效率低成本高。为解决上述问题，将PLC技术应用到分拣装置中用以提高生产效率降低生产成本是一个很好的途径。本文就介绍了PLC在邮件分拣系统中的应用。
1.2 PLC的概述
目前，世界上有200多个厂家生产300多品种PLC产品，而我国PLC生产厂有约30家，却并没有真正形成大规模的生产能力和名牌产品，其中有一部分厂家是以仿制、来件组装或“贴牌”方式生产。但同时，我国在PLC应用方面却很活跃，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售30亿人民币，应用的行业也很广阔川。所以说，对我国PLC生产厂家来说．如何生产出拥有自主知识产权的PLC产品，并形成规模化生产，打造中国自己的PLC品牌是其面临的一大课题。一句话，PLC自诞生之日起就成为自动控制领域一颗耀眼的明星，到今天已经发展为一个极其巨大的产业，也形成了其在自动化控制领域中短期内不可被替代的地位。
PLC即可编程控制器（Pragrammable Logic Controller）是一种数字运算操作的电子系统，是在20世纪60年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。它采用可编程序的存储器，其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。
PLC自产生至今只有30多年的历史，却得到了迅速发展和广泛应用，成为当代工业自动化的主要支柱之一。
1.3 PLC控制系统程序设计的步骤
在对一个控制系统进行设计之前，最重要的工作就是深入了解和分析系统的控制要求，只有这样才可能提出准确的、合理的系统总体设计方案，进而实现各个阶段的设计任务。
PLC程序设计的主要步骤是：
① 对于较复杂的控制系统，需绘制系统控制流程图，用以清楚地表明动作的顺序和条件。对于简单的控制系统，也可省去这一步。
② 设计梯形图。这是程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。
③ 根据梯形图编制语句表程序清单。
④ 用编程器将程序键入到PLC的用户存储器中，并检查键入的程序是否正确。
⑤ 对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。
⑥ 待控制台(柜)及现场施工完成后，就可以进行联机调试。如不满足要求，再修改程序或检查接线，直到满足要求为止。
2 邮件自动分拣系统
最初的分拣系统是完全基于人力的作业系统。通过人工搜索、搬运来完成货物的提取。这种分拣系统的作业效率低下，无法满足现代化物流配送对速度和准确性的高要求。随着科学技术的飞速发展，分拣系统中开始运用各种各样的自动化机械设备。计算机控制技术和信息技术成为信息传递和处理的重要手段。机械化、自动化、智能化成为现代分拣系统的主要特点与发展趋势。
自动分拣系统(automatic sorting system)是二战后在美国、日本以及欧洲的大中型物流中心广泛采用的一种分拣系统。一般由控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口四部分组成，它们通过计算机网络联结在一起，配合人工控制及相应的人工处理环节构成一个完整的分拣系统。随着计算机技术的飞速发展，可编程控制器应运而生。并且功能也越来越强大。在应用上，PLC有着其他设备无以比拟的优越性，它可靠性高，抗干扰能力高；适用性强，应用灵活；编程方便，易于使用；功能强大，扩展能力强；控制系统设计、安装、调试方便；维修方便，维修工作量少；体积小，质量轻，易于实现机电一体化。
2.1自动分拣系统概述
现代社会已将物流的高科技(自动分拣桃、自动化立体仓库、信息处理及通
讯自动化等)广泛应用于各个流通领域。自动分拣系统(Automatic Sorting System)现在已成为发达国家大中型物流中心不可缺少的一部分。可以肯定，随着物流大环境的逐步改善，科学技术日新月异的进步，特别是感测技术(激光扫描)、电子标签及计算机控制技术等的引入使用，自动分拣系统在我国发展空间巨大。
2.2 自动分拣系统的主要特点
动分拣系统具有传统的人工分拣无可比拟的优势，其主要特点如下分拣效率高：由于采用流水线自动作业方式，自动分拣系统不受气候、时间、人的体力等因素的限制，可以连续运行，而且单位时间分拣件数多，因此它能够连续大批量的分拣物品。一般情况下，自动分拣系统可连续运行100个小时以上。中等效率的分拣系统每小时可分拣7000件物品。比起人工每小时最多分拣150件的效率来说，有点特别明显。更重要的是不需要大量的劳动力来从事分拣作业。实现了从劳动密集型到技术密集型的转变。
分拣误差率低：自动分拣系统的分拣误差率主要取决于所输入分拣信息的准确性。而这又取决于分拣信息的输入机制。其中携带货物的相关载体和识别装置起着主导作用。如果采用人工输入，则误差率在3%以上；如果采用条形码输入，在条形码喷码无误和无破损的情况下出错率很低。目前自动分拣系统主要采用条形码技术来识别货物；如果采用当前广泛研究的电子标签，则不仅解决了分拣过程中读取信息的不便，而且提高了系统的抗干扰能力和运行稳定性。
分拣作业基本实现无人化：国外建立自动分拣系统的目的之一就是为了减少劳动力的使用，降低劳动强度，自动分拣系统能最大限度减少人员的使用，基本做到无人作业。分拣系统本身并不需要人员，在分拣过程中主要从事以下工作：送货小车抵达自动分拣作业线的进货端时，由人工接货；由人工控制分拣系统的运行；分拣系统的末端用人工将分拣出来的货物进行分包、堆盘、装车；自动分拣系统系统的经营、管理与维护。
自动分拣系统最早在我国邮政部门使用。邮件分拣作业是自动分拣的一个重要的应用领域，邮件分拣机依据邮件的地址，迅速、准确地将发往不同地点的邮件从众多邮件中按邮政编码分拣出来。自动分拣系统的使用，改变了传统的手工作业的分拣方式，大大减轻了笨重的体力劳动，而且更为重要的是提高了邮件分拣作业的准确性。
我国人口众多，人员之间的联系紧密，邮件数量相当巨大。近年来，随着我国经济的发展和社会的进步，邮政事业得到了空前发展。邮政通信网的技术含量不断增加，技术装备水平也在不断提高，邮件处理已基本实现机械化，并且朝着自动化的方向迈进。其中，利用机器自动分拣邮件是一个重要的课题。国内的研究工作起源于20世纪70年代中期。20多年来，科技人员不断跟踪国际分拣技术的发展状况，推陈出新。截止1998年底全国共有106套邮件自动分拣设备投入运行。供货厂家有国家邮政局上海研究所、德国SIEMENS公司、日本NEC公司。本文主要介绍邮件分拣机的工作原理。
图2-2-1为某邮件分拣机的工作原理框图。它主要通过对在传送带上通过的邮件进行扫码获得邮件的信息，识别出邮政编码后由邮政编码的数字信息来控制邮件流向。

2-2-1邮件分拣系统的工作原理图

2.2.1 PLC控制范围及要求：
——自动准确识别邮政编码。对邮政编码不符合规格的邮件进行处理(剔除)，并根据邮政编码的不同加以分类，实现邮件的准确自动分拣；
——自动计件，能够实时监测邮件的分拣数量。硬件部分的分拣机是将软件识别出的邮政编码的编码信息随传送带分拣入各个代表唯一地址的邮箱中，如编码信息代表上海的就拣入上海的邮箱。
2.2.2 分拣机的动作过程
分拣机工作过程如下：当传送带开始工作，绿灯L1亮，红灯L2灭，电机M5驱动带有推头的主链运行，扫码器读取传送带上的邮件的邮码，将结果送入PLC进行邮件的识别分析，得到邮件邮政编码的数字编码信息。检测发生器S1检测到有邮件，若邮码信息正确，L2亮，L1灭，系统根据邮件的邮码启动相应的推杆定时器，PLC从定时器中采集脉冲数，当定时器动作时就表示邮件到达分拣箱时，推进器(M1~M4)将邮件推进相应的邮箱。随后L2灭，L1亮，继续分拣。若邮码信息出错，则L2闪烁，电机M5停止动作，待重新启动后，再运行。具体结构见图2-2-2-1。

图2-2-2-1 分拣机动作过程结构图

2.3机型的选择及输入输出的确定
2.3.1 内存估计
用户程序所需的内存容量受以下几个因素的影响：内存利率：开关量输入，输出点数；用户的程序水平。
所需内存字数=开关量(输入+输出)总点数×10；
所需内存字数=模拟量点数×100(只有模拟量输入)；
所需内存字数=模拟量点数×200(模拟量输入／输出同时存)。该系统控制程序比较小，而且输入输出点较少，因此内要求比较低。一般的PLC都能满足其要求。
2.3.2 响应时间
可编程控制器顺序扫描的工作方式使它不能可靠地接受持续时间小于扫描周期的输入信号；但是在本系统中，邮件的输入速度是相对比较慢的，不可能比扫描周期短，所以，系统响应时间没特殊要求，不需要考虑这方面的问题。
邮件分拣是一个比较固定的、环境条件较好的工艺过程，要实现的功能也相对简单，无A/D和D／A转换、加减运算。另外，控制程序也比较固定，不需要在线编程，选用整体式PLC就可以满足工艺的要求了。综合前面的工艺要求与I/0点数可知，在机型上可选用西门子公司生产的CPU型号为226型的微型可编程控制器。
2.3.3 输入输出的确定
可编程控制器系统I/O点数估算。如表2-3-3-1所示：
表2-3-3-1 系统I/O分配
输入
输出
端子
功能
端子
功能
I0.0
启动
Q0.0
指示进邮件
I0.1
邮件检测
Q0.1
指示邮码是否正常
I0.2
读码器输出的邮码
Q0.2
传送带运转接触器
I0.3
读码器输出的邮码
Q0.3
指定邮码的推杆接触器
I0.4
读码器输出的邮码
Q0.4
指定邮码的推杆接触器
I0.5
读码器输出的邮码
Q0.5
指定邮码的推杆接触器
I0.6
复位
Q0.6
指定邮码的推杆接触器

Q0.7
指定邮码的推杆接触器

其硬件连接图如图2-3-3-1所示：

图2-3-3-1 分拣机与PLC的硬件连接图

3 PLC控制程序
控制系统选用SIEMENS S7-200 CPU226CN型PLC，它能够控制各种设备以满足自动化控制需求。S7-200的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及其他智能模块通信等指令内容，从而使它能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制目的。紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使S7-200成为各种控制应用的理想解决方案。邮件入箱控制软件设计流程：一是邮件检测；二是编码信息检测；三是编码信息转化为脉冲信号；四是邮件入箱；五是出错控制。PLC控制部分程序流程图如图3-1所示。

启动，绿灯亮，红灯灭灯亮，红灯，电机启动

检测邮件

读取编码信息

判断可识别编码信息

红灯亮，绿灯灭

入箱

红灯闪烁M5停止动作

红灯灭，绿灯亮

重启

图3-1 PLC控制部分程序流程图

3.1 梯形图程序

3.2 语句表

LD I0.0
O Q0.0
AN M11.0
O M10.2
AN M10.0
= Q0.0
LD I0.0
O M11.0
AN M10.0
= M10.3
LD I0.0
AN M10.0
AN M11.0
S Q0.2, 1
LD M10.3
O M10.0
R Q0.2, 1
LD I0.2
AN I0.3
AN I0.4
AN I0.5
A Q0.2
AN M10.0
TON T40, +16
= M0.0
LD T40
= Q0.3
LD Q0.3
TON T41, +24
LD I0.3
AN I0.2
AN I0.4
AN I0.5
A Q0.2
AN M10.0
TON T42, +32
= M0.1
LD T42
= Q0.4
LD Q0.4
TON T43, +24
LD I0.2
A I0.3
AN I0.4
AN I0.5
A Q0.2
AN M0.0
TON T44, +48
= M0.2
LD T44
= Q0.5
LD Q0.5
TON T45, +24
LD I0.4
AN I0.2
AN I0.3
AN I0.5
A Q0.2
AN M10.0
TON T46, +64
= M0.3
LD T46
= Q0.6
LD Q0.6
TON T47, +24
LD I0.2
A I0.4
AN I0.3
AN I0.5
A Q0.5
AN M10.0
TON T48, +80
= M0.4
LD T48
= Q0.7
LD Q0.7
TON T49, +24
LD T41
O T43
O T45
O T47
O T49
= M10.2
LDN I0.2
AN I0.3
AN I0.4
AN I0.5
O I0.2
A I0.3
O I0.3
A I0.4
O I0.5
AN M10.0
= M11.0
LD M11.0
AN T58
TON T57, +16
LD T57
O M0.0
O M0.1
O M0.2
O M0.3
O M0.4
AN M10.0
A M10.3
= Q0.1
LD Q0.1
AN M10.2
= M10.1
TON T58, +16
LD I0.6
= M10.0

3.3 程序图中各辅助触点的作用
辅助继电器
功能
M0.0
辅助显示正常邮码
M0.1
辅助显示正常邮码
M0.2
辅助显示正常邮码
M0.3
辅助显示正常邮码
M0.4
辅助显示正常邮码
M10.0
辅助复位
M10.1
在邮码输入错误时互锁启动电路
M10.2
辅助控制指示下一邮件可以进入
M10.3
辅助控制传送带停止
M11.0
错误邮码输入时启动定时器T57，并辅助停止电机M5

3.4 程序图中各个定时器的作用
定时器
功能
T40
根据邮码启动定时，1.6秒后接通指定的分拣接触器
T41
设定分拣时长，2.4秒后提示下一邮件进入
T42
根据邮码启动定时，3.2秒后接通指定的分拣接触器
T43
设定分拣时长，2.4秒后提示下一邮件进入
T44
根据邮码启动定时，4.8秒后接通指定的分拣接触器
T45
设定分拣时长，2.4秒后提示下一邮件进入
T46
根据邮码启动定时，6.4秒后接通指定的分拣接触器
T47
设定分拣时长，2.4秒后提示下一邮件进入
T48
根据邮码启动定时，8秒后接通指定的分拣接触器
T49
设定分拣时长，2.4秒后提示下一邮件进入
T57
设定L1闪烁时每周期灯灭时长为1.6秒
T58
设定L1闪烁时每周期灯亮时长为1.6秒

4 心得体会
本文主要利用PLC作为通用工业控制计算机，可靠性高、抗干扰能力强、配套齐全、功能完善，适用性强、系统设计建造量小、维护方便等等优点，采用S7-200型PLC，实现邮件自动分拣的自动控制。
本设计在深入研究PLC控制技术的基础上，完成了以下几方面的工作：
(1) 系统分析了自动分拣系统的要求，完成了基于PLC控制的邮件自动分拣系统的部分设计。
(2) 制器是控制系统的核心部分，在全面分析了可编程控制器的基础上确定采用西门子PLC作为本课题的控制器，使系统的开放性和通用性大大加强。
(3) 对控制系统工艺流程进行了细化，优化了系统控制逻辑；设计了PLC控制系统软件并进行调试，提高了系统的可靠性和通用性。
通过整个设计我学会了PLC的基本编程方法，使我对PLC工作原理和使用方法有了更深刻的理解，对PLC怎样完成对邮件自动分拣有了全面的认识，在没有设计以前，我们的掌握只是思想上的，对一些细节并没有重视，当我们把自己想出来的程序编到PLC中的时候，问题就出现了，不是不能运行就是运行结果和所需结果不同。通过这次课程设计是我看到了自己的缺点和知识上的不足，看到了理论和实践的差距，对我以后的学习或工作都有很大帮助。

参 考 文 献
[1] 朱文胜,赵斯军.电气与PLC综合控制技术[M].苏州大学出版社,2008
[2] 路林吉,王坚.可编程控制器原理及应用[M].清华大学出版社,2002
[3] 廖常初.PLC基础及应用[M].机械工业出版社,2003
[4] 张建民.机电一体化系统设计[M].北京理工大学出版社,1996
[5] 王兆义.小型可编程控制器实用技术[M].机械工业出版社,2003
[6] 邱公伟.可编程控制器网络通信及应用[M].清华大学出版社,2001